下水道への膜処理技術導入のための

ガイドライン［第 1 版］

平成 21 年 5 月

下水道膜処理技術会議

( ) i

.発刊にあたって

わが国の下水道人口普及率は平成 19 年度末で 71.7％に達し，依然として都市規模による格差は残っているものの一定の進捗が図られてきました。しかしながら，閉鎖性水域における

水質改善や健全な水循環系の構築，老朽化施設の計画的な改築等，下水道事業が直面する課

題は数多く残されています。 例えば閉鎖性水域における水質改善のための高度処理の実施状況については，平成 19 年度

末の高度処理人口普及率は 15.7％程度と低水準にとどまっており，健全な水循環系の構築のための下水処理水再利用についても，処理水量全体の 1.4％（平成 18 年度末）が再利用されているに過ぎません。また，病原微生物や微量有害化学物質による水系リスクを低減してい

くためにも，今後，より一層の処理機能の高度化が求められます。 また，都市部においては，処理施設の老朽化に伴い処理機能の高度化を含めた改築を行う

にあたり，用地の拡張が困難な中で現施設を運転しながら計画的に改築を進めつつ，処理機

能の高度化を図っていかなくてはなりません。 膜処理技術は，これらの課題を解決していく上で，今後，その中心となる処理技術として

期待されています。

わが国の下水道では，膜処理技術はこれまで主として処理水の一部を再利用するための処

理に適用されてきましたが，近年の膜技術の進展に伴う膜価格の低下等により，下水処理そ

のものへの適用が現実的なものとなってきています。 特に，膜分離活性汚泥法は，平成 20 年度末において 10 箇所程度の比較的小規模な下水処

理場で導入されており，今後，改築需要の増大等を受けて中・大規模施設への導入も進んで

いくものと考えています。 海外では EU，北米，中東，中国等で下水道への膜処理技術の導入が積極的に進められてお

り，一部では標準化に向けた動きもあります。 わが国においても，こうした海外での動きもにらみつつ下水道への膜処理技術導入を進め

ていくべき時期に来ているものと考えます。 今回，「下水道膜処理技術会議」で審議された結果をもとに，地方公共団体が下水処理への

膜処理技術の導入を検討する際の技術資料として「下水道への膜処理技術導入のためのガイ

ドライン［第 1 版］」をとりまとめました。 本ガイドラインは，下水道を中心とした膜処理技術に関する基礎的な情報や最新の知見，

膜処理技術を下水処理場へ導入するための検討方法について示しており，広く下水道関係者

に活用して頂きたいと考えています。 平成 21 年 5 月

下水道膜処理技術会議

委員長 大垣 眞一郎

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委員の構成. (順不同・敬称略)

(平成 21 年 3 月現在)

下水道膜処理技術会議

委員長 大垣 眞一郎 東京大学大学院教授

委員 中尾 真一 東京大学教授

〃 長岡 裕 武蔵工業大学教授

〃 山本 和夫 東京大学環境安全研究センター教授

〃 小川 健一 東京都下水道局計画調整部長

〃 鈴木 祥一 神奈川県県土整備部下水道課長

〃 吉澤 正宏 滋賀県琵琶湖環境部下水道課長

〃 石川 美直 名古屋市上下水道局計画部長

〃 大木 常正 堺市上下水道局下水道部長

〃 山下 秀樹 浜松市上下水道部長

〃 村上 孝雄 地方共同法人 日本下水道事業団技術開発部長

〃 清水 俊昭 財団法人 下水道新技術推進機構研究第一部長

特別出席 岡久 宏史 国土交通省都市・地域整備局下水道部下水道事業課長

〃 藤木 修 国土交通省国土技術政策総合研究所下水道研究部長

特別参加 松尾 英介 社団法人 日本下水道施設業協会技術部長

〃 阿瀬 智暢 有限責任中間法人 膜分離技術振興協会事務局長

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目次

第 1 章 本ガイドラインの位置付け ................................................................................................ 1

第 2 章 総 論 .................................................................................................................................... 4

2.1 膜処理技術の概要.................................................................................................................. 4

2.1.1 膜処理技術の概要と適用範囲...................................................................................... 4

2.1.2 膜の種類.......................................................................................................................... 4

2.1.3 膜分離設備の概要.......................................................................................................... 6

2.2 下水道への導入意義 ............................................................................................................ 11

2.2.1 膜処理技術の下水道への導入意義............................................................................ 11

2.2.2 下水道への膜処理技術の導入形態............................................................................ 14

2.3 下水道における膜処理の現状 ............................................................................................ 15

2.3.1 国内の下水道用膜処理施設の導入状況 .................................................................... 15

2.3.2 海外の下水道用膜処理施設の導入状況 .................................................................... 15

第 3 章 新設処理場への MBR 導入 ............................................................................................... 18

3.1 MBR の特徴 ........................................................................................................................... 18

3.2 施設導入の検討事項 ............................................................................................................ 22

3.2.1 検討条件........................................................................................................................ 22

3.2.2 水量変動対策................................................................................................................ 24

3.2.3 最初沈殿池.................................................................................................................... 24

3.2.4 反応タンク.................................................................................................................... 25

3.2.5 膜モジュール................................................................................................................ 27

3.2.6 消毒設備........................................................................................................................ 30

3.2.7 汚泥処理設備................................................................................................................ 30

3.2.8 その他の留意事項........................................................................................................ 30

3.3 導入コスト............................................................................................................................ 32

第 4 章 既設処理場への MBR 導入 ............................................................................................... 35

4.1 MBR と従来法との並列処理の特徴 ................................................................................... 35

4.2 MBR と従来法との並列処理の場合の検討事項 ............................................................... 36

4.2.1 新規系列増設，既設改造に共通の検討事項 ............................................................ 37

4.2.2 新規系列増設の場合の検討事項................................................................................ 39

4.2.3 既設改造の場合の検討事項........................................................................................ 40

4.3 導入コスト............................................................................................................................ 42

第 5 章 再生水利用のための膜処理技術導入 .............................................................................. 44

5.1 再生水利用のための膜処理技術導入の効果 .................................................................... 44

5.2 再生水利用のための膜処理技術導入にあたっての検討事項 ........................................ 46

( ) iv

5.2.1 再生水の用途及び水質................................................................................................ 47

5.2.2 供給量の設定................................................................................................................ 49

5.2.3 膜の種類の選定............................................................................................................ 49

5.2.4 処理フロー.................................................................................................................... 51

5.2.5 膜処理に伴って発生する濃縮水の処理 .................................................................... 52

5.3 導入コスト............................................................................................................................ 53

【参考資料】 .................................................................................................................................... 54

1. 膜処理技術の導入検討にあたっての技術情報 .................................................................... 55

1.1 膜を利用した処理技術..................................................................................................... 55

1.2 MBR 設計諸元例（JS 技術評価） ..................................................................................... 56

1.3 膜コストに関する資料 ...................................................................................................... 62

1.4 再生処理施設の費用関数の例 ....................................................................................... 63

1.5 MBR の膜モジュールの例 ................................................................................................ 64

1.6 MBR 適用事例における配置例 ........................................................................................ 65

2. 膜処理技術を用いた展開 ....................................................................................................... 68

2.1 コスト縮減に向けた膜処理技術の開発研究 .................................................................. 68

2.2 膜処理技術の研究開発の事例 ....................................................................................... 69

2.3 普及拡大に向けた今後の課題........................................................................................ 72

2.4 他機関における膜処理技術の研究開発の動向について ............................................. 72

2.5 EU における標準化の動向 ............................................................................................... 73

3. その他 ...................................................................................................................................... 76

【参考文献】 .................................................................................................................................... 80

1

第1章 本ガイドラインの位置付け

本ガイドラインは，現時点における，下水道を中心とした膜処理技術に関する基礎的な情

報や最新の知見について整理するとともに，地方公共団体が下水道への膜処理技術の導入に

あたって検討すべき事項や留意事項を示したものである。具体的には，以下の事項について

記載している。

膜処理技術の概要や下水道への膜処理技術導入の意義等（第 2 章）

膜分離活性汚泥法を主として新設の下水処理場に導入する場合の検討事項（第 3 章）

膜分離活性汚泥法を既設の下水処理場で導入する場合の検討事項（第 4 章）

膜処理技術を再生水利用のために導入する場合の検討事項（第 5 章）

ただし，膜処理技術は技術開発途上の段階にあり，今後とも大幅な低コスト化，省エネル

ギー化等が期待される技術である。このため，本ガイドラインで記載しているコストや検討

諸元等の数値については，あくまで現段階での参考値であることに留意する必要がある。

また，膜処理技術は，閉鎖性水域の水質改善のための高度処理，病原微生物等の水系リス

ク低減，下水処理施設の改築等，今後の下水道事業における様々な展開の核となるコア技術

であることから，巻末に参考資料として下水道における膜処理技術を用いた今後の展開につ

いて記載した。

なお，本ガイドラインは今後の技術開発の動向やわが国における膜処理技術の導入事例の

増加等をふまえて適宜改訂を予定している。

図 1-1 ガイドラインの内容

膜処理技術導入の検討・技術の概要 ・導入の意義

膜処理技術の導入計画の検討

従来法における固液分離に膜処理を適用 再生水利用への適用

新設処理場への MBR 導入

既設処理場へのMBR 導入

再生水利用のための 膜処理技術導入

第３章 第５章第４章

第２章

第３章～５章

2

［用語解説］

膜処理： 分離機能を持つ固体の膜を利用し，対象物質と溶液をその大きさで分ける（サイ

ズ分離）ことや溶解-拡散現象等を利用して分けること。膜の分離機能のみを利用

して処理することや，これ以外の処理法と組み合わせて処理することを区別する

場合もあるが，本ガイドラインでは，いずれも「膜処理」と称す。

膜エレメント：膜とその支持体及び流路部等の部材を一体化した機器をいう。

膜モジュール：膜エレメントを水処理設備・装置等に組み込んで加工した機器をいう。シー

ト状の膜では平膜モジュールとスパイラル型モジュールが代表的であり，管状の

膜では数本を束ねて一つのケースに収めたものが代表的である。中空糸型では大

量の中空糸膜を束ねて両端を樹脂に包理したものを単独または複数本で，ケース

等に固定したものが代表的なモジュールである。

膜ユニット：膜モジュールに加え，散気部（生物処理や攪拌･膜洗浄に必要な空気の供給を行

う部分）や，集水部（ろ過水を引き抜き集水する部分）等を含む装置をいう。

MBR： 膜分離活性汚泥法（Membrane Bioreactor）。下水処理等において処理水と活性汚泥

の固液分離に膜分離技術を適用した処理方法。通常，MF 膜が用いられる。膜モジ

ュールの設置方式により，便宜的に，浸漬型（一体型），浸漬型（槽別置型），槽

外型の 3 種の型式に分類される（表 3-1(p19)参照）。

ファウリング：膜処理において時間経過とともに，付着物質が膜の表面へ累積したり，透過

流路を閉塞する状況で，定期的に，洗浄（付着物質をはがす工程）が必要。

透過流束：膜の表面積あたりに得られる処理水の量（m3/m2･日⇒m/日）。

膜差圧： ろ過水を得るために必要な圧力。膜間差圧，ろ過差圧，TMP（Trans Membrane

Pressure）と表現される場合もある。

従来法： 本ガイドラインにおいては，下水道法施行令及び通知（平成 16.3.29 国都下事第

530 号 国土交通省都市・地域整備局長通知「下水道法施行令の改正に伴う事業計

画の認可の運用について」）に示される処理方式（標準活性汚泥法，循環式硝化

脱窒法，嫌気無酸素好気法，等）を指す。

MBR と従来法との並列処理：本ガイドラインにおいては，同一処理場内で，MBR と従来法

の処理方式とが並列されることを指す。ハイブリッド MBR と呼ばれることもある。

施設，設備，装置，機器：「下水道施設計画・設計指針と解説 27)」に準じ，原則として次のよ

うに使い分ける。

施設：構造物を含めた大きい範囲のもの（下水道施設，処理施設，等）

設備：方式化されて機能するもの（前処理設備，膜処理設備，消毒設備，等）

装置：機器が集まり単体として作動するもの（散気装置，膜ユニット，等）

機器：機械，器械等（装置，設備を構成するもの，膜モジュール，等）

3

表 1-1 膜エレメント，膜モジュール，膜ユニットの例 【膜の例】 【膜エレメントの例】 【膜モジュールの例】

(中空糸膜)

(平膜)

(“膜モジュールエレメント”，“膜カートリッジ”と呼ばれ

ることもある) 膜(中空糸) 多数の膜(中空糸)が両端

の集水管によって固定さ

れたもの

複数の膜エレメントを

組み合わせ一体化させ

たもの

シート状の膜(平膜)を支持体に取り付けたもの

【膜ユニットの例】（浸漬型） （中空糸膜）

（平膜）

膜エレメント，集合管，膜ケース，散気ケース，散気装置からなるもの ※「膜エレメント」「膜モジュール」「膜ユニット」は，厳密に区別して呼称されているものでは

なく，種類や形状，開発したメーカーによっても異なる呼称が使われており，本ガイドライン

では，これらを「膜モジュール」として総称する。

4

第2章 総 論

膜処理技術の概要，膜分離方式等の膜処理に関する基礎的な事項を述べるとともに，下水

道への導入意義や下水道における膜処理の現状を整理する。

2.1 膜処理技術の概要

2.1.1 膜処理技術の概要と適用範囲

(1) 膜処理技術の概要 膜処理技術は，膜を介して圧力差や濃度差，電位差等の推進力により物質を分離する技術

である。除去対象物質を直接膜でろ過する場合，生物処理と組み合わせてろ過する場合及び

凝集等と組み合わせてろ過する場合がある 6)。

(2) 膜処理技術の適用範囲 膜処理技術は幅広い分野において応用され，物質の分離・精製技術として不可欠な技術と

なっている。膜処理技術の応用範囲としては，

・ 各種製造業（精製，濃縮，分離，回収，脱水）

・ 医療用（血液透析，人工肺）

・ 水処理（海水淡水化，浄水処理，下排水処理，下排水再利用）

・ 燃料電池

等がある。

2.1.2 膜の種類

(1) 膜の孔径 浄水・排水処理分野において用いられる分離膜※1には，分離対象が大きい順に，精密ろ過

（microfiltration：以下「MF」という。）膜，限外ろ過（ultrafiltration：以下「UF」という。）

膜，ナノろ過（nanofiltration：以下「NF」という。）膜，逆浸透（reverse osmosis：以下「RO」

という）膜がある（表 2-1，図 2-1参照）。

表 2-1 各種の膜ろ過法の分離対象と操作圧力

膜の種類 分離対象（分離性能） 操作圧 精密ろ過（MF） 0.01～10μm 粒子 減圧～数 100kPa 限外ろ過（UF） 分子量 1,000～200,000 数 10kPa～数 100kPa ナノろ過（NF） 分子量 200～1,000 数 100kPa～数 MPa 逆浸透（RO） 分子量 ～350 数 MPa～10MPa

注：操作圧は原水や目標水質によっても異なる。 UF 膜，NF 膜の分離対象については参考文献 18)より引用

1 膜の分類：分野や製造メーカー等により区分が異なり，孔径や操作圧の範囲が重なっている（図 2-1 参照）。IUPAC

（International Union of Pure and Applied Chemistry）による定義（1996）では，>0.1μm を MF 膜，2nm～0.1μmを UF 膜，

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図 2-1 膜の種類と分離対象物質

①MF（精密ろ過：microfiltration）膜

MF 膜は，0.01～10μm 程度の孔径を持っており，微細な粒子や細菌を分離・除去するも

のである。MBR で用いられる場合は，0.1～0.4μm 程度の孔径が多く，SS 測定用のろ紙（孔

径 1μm）や大腸菌等の細菌の大きさ（概ね 1μm 程度）よりも小さいことから，膜処理水

から SS が検出されないまでに除去することができる。医療用の除菌フィルタ等としても利

用されている。

②UF（限外ろ過：ultrafiltration）膜

UF 膜は，MF 膜より小さい孔径を持つもので，主にタンパク質等，分子量数千以上の高

分子物質の濃縮やろ過等の用途に用いられる。粒子状物質以外に，ウイルスや溶解性有機

物の一部も除去できることが特長である。

③NF（ナノろ過：nanofiltration）膜／RO（逆浸透：reverse osmosis）膜※2

NF 膜は，ルーズ RO 膜とも呼ばれ，RO 膜とともに，広義の逆浸透膜といえる。NF 膜／

RO 膜による分離は，膜の素材と除去対象物質（分子やイオン）との親和性の違いを利用し

たものである。水分子は容易に膜素材中に溶け込むことはできるが，除去対象物質は溶け

込めないためである。また，除去機構に膜の電荷が大きな影響を及ぼす。

(2) 膜の材質 膜を材質によって大別すると有機膜と無機膜に区分できる。

有機膜としては，MF 膜，UF 膜では，PSF（ポリスルホン），PE（ポリエチレン），CA（酢

酸セルロース），PAN（ポリアクリロニトリル），PP（ポリプロピレン），PVDF（ポリフッ化

ビニリデン）， PTFE（ポリテトラフロロエチレン）等が用いられている。NF 膜/RO 膜では，

ポリアミド系の有機膜が多く用いられている。

無機膜としては，セラミックを用いた膜（MF 膜，UF 膜，NF 膜）があり，また金属膜が

開発されている。 2 NF/RO 膜：RO 膜と NF 膜の処理性能の差は小さくなりつつある。また，RO 膜には SWRO（海水淡水化用 RO）

と BWRO（低圧 RO 膜）とに区別される場合がある。水道用膜モジュール規格に基づく分類では，NaCl 除去率により，海水淡水化用 RO 膜：99.0%以上，RO 膜：93%以上，NF 膜 5～93%と区分されている。

※文献 18)より作成

6

膜の材質及び特徴について主なものをまとめると表 2-2となる。

表 2-2 主な膜の材質及び特徴

主たる材質 特徴 有機系 PVDF，PE（塩素化，親水化処理）

PP，PTFE，等 材質により，耐熱性，耐薬品性等が異なり，

膜の保管や薬品洗浄において，その材質特性

に留意する。 セラミック（酸化アルミニウム，

酸化チタン，酸化ジルコニウム，

等）

有機膜に比較して，耐熱性，耐薬品性に優れ

るが，耐衝撃性の点で取り扱いに留意する必

要がある。

無機系

金属 耐用年数が長い。（開発段階）

2.1.3 膜分離設備の概要

膜分離設備は，ろ過方式，駆動圧方式，膜モジュールの形式等により，表 2-3のように分

類される。表中の各項目について，以下に概要を説明する。

表 2-3 膜分離設備の主な分類項目

項目 主な分類 a)全量ろ過 b)クロスフローろ過 (1)ろ過方式 a)内圧式 b)外圧式

(2)駆動圧方式 a)ポンプ加圧方式 b)ポンプ吸引方式 c)水位差利用方式 (3)膜モジュールの形式 a)中空糸型 b)平膜型 c)スパイラル型

d)管型 e)モノリス型 (4)膜の洗浄方式 a)物理洗浄 b)薬品洗浄

※文献 32)より作成

(1) ろ過方式 1) 全量ろ過とクロスフローろ過

膜処理におけるろ過方式は，図 2-2に示すように，全量ろ過（デッドエンドろ過：dead-end

-filtration）とクロスフローろ過（cross-flow filtration）とがある。

図 2-2 ろ過方式（全量ろ過とクロスフローろ過）6)より一部改変

全量ろ過では，膜で阻止されたものが膜に付着し，ろ過とともに付着物が蓄積するため，

一定時間ごとに必ずろ過を中止して，累積した付着物の層を除去しなければならない。

一方，クロスフローろ過では，膜表面に平行な流れで常に膜表面を洗浄させながらろ過す

る。ろ過と付着物の除去を並行して連続運転ができ，かつ，ろ過速度を高く維持できる反面，

a) 全量ろ過 b) クロスフローろ過

7

十分な平行流を作るためろ過流量に対して供給水側の流量が大きくなり，ろ過流量当りのエ

ネルギー消費が大きくなる。

2) 内圧式と外圧式

膜の内側（中空糸や管の内側）に原水を供給し，外側（中空糸や管の外側）に処理水を流

出する方式を内圧式ろ過方式と言い，逆に膜の外側に原水を流し，内側に向けて処理水が流

れる方式を外圧ろ過方式という。浸漬型 MBR（後述 3.1 参照）は，膜の外側に原水を供給す

るものであり，全て外圧式となる。

外圧式は，内圧式と比べると透過流束が低くなるが，実施可能な膜洗浄の方式（(4) 参照）

が多く，原水中に懸濁粒子が多い場合にも使用できるため，排水処理分野では外圧式が採用

されることが多い。

(2) 駆動圧方式 膜ろ過を行うには，供給水（原水）側と膜透過水側の圧力差，すなわち膜差圧が必要であ

る。膜差圧を与える方式として，ポンプ加圧方式，ポンプ吸引方式，水位差利用方式等があ

る。

a) ポンプ加圧方式：ポンプを用いて，膜の供給水側に圧力を加える方式

b) ポンプ吸引方式：吸引ポンプを用いて，膜の膜透過水側より吸引する方式

c) 水位差利用方式：膜浸漬槽とろ過水槽，あるいは供給水槽と膜透過水槽の水位差を

用いて，膜の供給水側に圧力を加える方式もしくは膜の膜透過水

側より吸引する方式

(3) 膜モジュールの形式 浄水･排水処理分野において主に用いられている膜モジュールには，中空糸型，平膜型，ス

パイラル型，管型，モノリス型等がある。

浄水・排水処理分野で使用される主な膜モジュールの形式を図 2-3に示す。

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中空糸膜

中空糸型 外径 0.5～3mm 程度の中空糸状の膜を集積したもの。膜の中心部であるマカロニ状の中空部分より処理水を得る。 膜の充填密度を大きくでき，一般的には他の型のモジュールと比べ装置がコンパクトになる。

槽外型 浸漬型

平膜型 シート状の膜を5～10mm程度の間隔で連結したもの。 2 枚の膜の間あるいは膜とスペーサの間より処理水を得る。

平膜

スパイラル型 袋状の平膜を原水水路となる網目状のスペーサとともに海苔巻き状に一体化したもので，圧力容器に装填した構造。NF/RO膜に多く用いられる。

管状膜

管型／チューブラー型 外形 3～15mm の円筒状の膜を束ねたもの。

モノリス型

内圧式のセラミック膜で，1本のエレメントに多数の流路が設けられている。流路の表面には膜が焼結（生成）されている。

図 2-3 膜モジュールの主な形式 32)及びメーカー資料より

(4) 膜の洗浄方式

1) 膜の性能変化 膜の性能変化には，劣化とファウリングがある。劣化は，膜そのものの変化で生じる不可

逆的な膜の性能の変化をいい，ファウリングは，膜の表面や流路に付着物質が堆積すること

による膜の見かけ上の性能変化をいい，膜モジュールの流路閉塞も含まれる。ファウリング

による性能変化は，膜の洗浄操作により回復する場合が多い。

膜の性能変化の主な要因を表 2-4 に整理した。

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表 2-4 膜の性能変化の主な要因 区分 要因 摘要

圧密 圧力（高圧）による膜構造の恒久的な変形 損傷 固形物等による擦過や衝突による膜構造の破損，振動等の繰

返し応力による膜構造の疲労破壊

物理的劣化

乾燥 収縮等による膜構造の恒久的な変化，膜材質に依存 加水分解 膜材質の化学反応による材質の変化，温度・pH に大きく依存化学的劣化 酸化 塩素等の酸化剤による物性の変化，膜材質に依存

劣化

生物的劣化 生物による分解，代謝産物等による化学的変質，膜材質に大きく依存

原因物質 無機塩類，無機性・有機性コロイド，溶解性有機物質，付着微生物，懸濁物質

ケーキ 懸濁粒子の膜面への堆積 ゲル 溶解性高分子物質の膜面でのゲル化（濃度分極現象による），

粘着性（ゲル状）物質の付着 スケール 濃縮により溶解度を越えた物質の析出

膜面の 汚染状態

吸着 膜面への吸着による層形成 膜内部の汚染状態 （目詰まり）

膜細孔内部での吸着，析出，閉塞，気泡による細孔のブロッ

キング

ファウ リング

流路閉塞 ユニット内原液側流路における固形物等による閉塞

膜のファウリング原因物質としては，炭酸カルシウム，硫酸カルシウム等の無機塩類，シ

リカ，水酸化鉄等の無機性コロイド，蛋白質等の有機性コロイド，溶解性有機物質，付着性

微生物，懸濁物質等が挙げられるが，実際には原因物質が多種多様にわたり支配的なものを

同定することが困難な場合も多い。

様々な物質が高濃度に存在する排水処理の分野では，原因物質を特定することはきわめて

困難で，あらゆる要因が複合的に存在しているとみることができる。さらに，膜面にケーキ

層やゲル層が形成されることによる透水性能の低下が顕著である。特にゲルの原因物質は通

常の水質分析では固形物として計量されないコロイド性・溶解性の物質のため発生の予測が

困難である。

また，膜の性能とは別に，水温（液粘性）によっても膜差圧や透過流束が変化する現象が

生じ，低水温期は，圧力一定制御運転下では透過流束が小さくなる傾向が，流量一定制御下

では，膜差圧が上昇する傾向が認められる点にも留意する必要がある。

2) 膜洗浄（ファウリング対策） 膜処理においては，経過時間とともに，膜の表面や流路に付着物質が蓄積していくため，

定期的に洗浄（付着物質を取り除く工程）が必要となる。膜の洗浄方法には物理洗浄と薬品

洗浄がある。

a) 物理洗浄

物理洗浄には，逆圧洗浄，空気洗浄，フラッシング洗浄等があり，これらを単独また

は併用して洗浄を行う。排水処理分野で用いられる主な膜の物理洗浄の種類を図 2-4に

示す。

10

(逆圧洗浄（逆洗）)

（空気洗浄・エアスクラビング） （フラッシング洗浄）

図 2-4 膜の物理洗浄の種類 14)より一部改変

・逆圧洗浄（逆洗）

逆圧洗浄（逆洗）とは，ろ過方向とは逆方向に処理水・空気を流して，膜面の付着物

質を除去する方法である。例えば逆圧洗浄は，逆圧洗浄用ポンプや，圧縮空気により加

圧された水を用いて行われる。膜の材質や形状により，逆圧洗浄の可否や，洗浄時圧力

の上限が決まる。

・空気洗浄・エアスクラビング

空気を吹き込んで膜を水中で振動させることにより，膜面の付着物質を除去する方法

である。逆圧洗浄と併用される場合もある。

・フラッシング洗浄

膜供給水または膜ろ過水を高速で膜面に沿って流すことにより，膜面の付着物質を除

去する方法である。

b) 薬品洗浄（化学洗浄）

膜ろ過を継続していると，洗浄しきれない目詰まり物質が膜表面ないし膜内部に蓄積

してくる。これらを除去し，膜性能を回復させるため薬品洗浄（化学洗浄）が実施され

る。薬品として，無機物を除去する薬品（酸等）や有機物や微生物を除去する薬品（次

亜塩素酸ナトリウム等）が使用される。

膜の洗浄は，逆圧洗浄と薬品洗浄とを組み合わせることが多い。また，オゾンの使用によ

るファウリング軽減対策についても検討されており，耐オゾン性の高い膜材質の開発も進め

られている。

11

2.2 下水道への導入意義

2.2.1 膜処理技術の下水道への導入意義

平成 17 年 9 月にまとめられた「下水道ビジョン 2100」では，100 年後を見据えた下水道の

あり方として，地域の持続的な発展のための「活用・再生」を中心とした『循環のみち』を

基本コンセプトとした下水道が提案されている。

『循環のみち』実現のための基本方針として，水循環の健全化に向けた水再生・利活用ネ

ットワークを創出する「水のみち」，将来の資源枯渇への対応や地球温暖化防止等に向け資源

回収・供給ネットワークを創出する「資源のみち」，新たな社会ニーズに応えるサスティナブ

ル（sustainable，持続可能な）下水道の実現を掲げている。

『循環のみち』実現に向けた施策には，新技術を積極的に導入し下水道の機能を高度化す

ることが不可欠なものが多い。

膜処理技術は，下水中の SS 成分はもとより，大腸菌等の細菌を確実に除去し，ウイルスや

微小な物質についても低減効果が期待できる技術であり，下水道に導入する場合，次のよう

な効果が期待できる。

・ 汚濁物質の除去性能の向上

・ 病原微生物の除去

・ 施設のコンパクト化

・ 運転管理が容易（自動制御運転の範囲の拡大），等

『循環のみち』を実現するための施策体系と，膜処理による実現可能性のある取り組みの

例を図 2-5に示す。

図 2-5 「循環のみち」実現における膜処理技術の可能性

このように，「循環のみち」実現のために必要となる取り組みのうち，膜処理技術の導入に

より実現可能なものも多く，下水道における膜処理技術への期待も大きい。

「循環のみち」

基本方針 視点 施策項目

水のみち

資源のみち

施設再生

活かす 水のみち

優しい 水のみち

衛る 水のみち

優しい 資源のみち

機能向上

・近自然水流の復活，再生 ・水質の保全 ・水利用の自立性向上

・人に優しい水環境の創出 ・潤いのある水縁空間の創出 ・水縁コミュニティの創出

・公衆衛生の向上 ・新たな浸水対策の展開 ・雨水，再生水，湧水等の防災への活用 ・地域保全生態系の保全，再生

バイオマスの利用

機能維持・改築の効率化

膜処理の導入により実現可能な取り組み

・膜分離によるメタン発酵促進 (研究開発段階)

(5)改築：処理場の改築において，現有の敷地や土木構造物の範囲内で機能向上(処理水質の高度化，監視･制御の自動化，省力化等)

(2)高度処理 (3)再生水利用の拡大

(サテライト処理等)

(1)未普及地域の早期解消 (施設のコンパクト化が可能な MBR の活用)(2)高度処理 (3)再生水利用の拡大

(3)再生水利用の拡大 (4)水系リスクの低減 （病原微生物の除去）

12

特に MBR は中・大規模処理場への導入やサテライト処理への適用等，今後，下水道事業へ

の本格的な展開が期待できる処理方法である。

以下に各取り組みについて具体的に記載する。

(1) 未普及地域の早期解消 人口減少，高齢化，厳しい財政状況の中で，未普及地域における下水道整備を速やかに進

めるために，施設のコンパクト化が可能な MBR の導入が進んでいる。またコスト縮減，工期

短縮を目的としたユニット型の極小規模 MBR の開発が進められている。

(2) 高度処理 膜処理水は，従来法と比較して SS が含まれない。膜処理による SS 除去に際して，窒素，

りん等のうち SS に含まれる部分の除去も期待できる。

特に MBR は，従来法に比べ高い MLSS 濃度（10,000～15,000mg/L）で運転することができ

ることから，短時間で有機物分解，硝化脱窒反応を生じさせることが可能である。また，循

環法，ステップ法，凝集剤添加法等との組み合わせも可能であり，最適な運転条件や適用範

囲の拡大について検討が進められている。

(3) 再生水の利用拡大 処理水再利用を行う場合においても，高度処理が必要となることが多く，膜処理技術の活

用により効果的に対応できる場合がある。

再生水利用の基準値と従来法及び膜処理による処理水質の例を表 2-5に示す。MBR の処理

水は，用途によってはそのまま再利用できる。再利用にあたって色度が問題となる場合等必

要に応じて，活性炭投入やオゾン処理の追加で対応が可能である。

表 2-5 再生水の水質目標値と膜処理水の水質事例 再生水利用の基準値注 1) 従来法による処理水質注 2) 膜処理水の例

項目 修景用水

利用

親水用水

利用

標準活性

汚泥法

循環法

＋砂ろ過

MBR

処理水注 3)

NF/RO 膜

処理水注 4)

BOD － － 10～15 mg/L ～10 mg/L

13

また MBR については，下水のサテライト処理の具体化が期待されている。サテライト処理

は，下水処理場に至る前の下水管から下水を取り込む中間浄化施設を設置し，処理水を活用

するもの（図 2-6参照）である。

図 2-6 サテライト処理による再利用の例 43)

サテライト処理では，下水管から取水・処理し，処理に伴って発生する汚泥はもとの下水

管に戻すという方法が取られるため，通常の下水処理場より施設のコンパクト化が期待でき

る。

再生水利用を行う場合，現状では，利用先が下水処理場の周辺に立地していないと経済性

が成立しない。しかし，サテライト処理が低コストで実現できれば，雑用水やせせらぎ用水

等の水需要が多い地域であれば，下水処理場の周辺という立地に該当しなくても，経済的な

メリットが生まれる可能性がある。

(4) 水系リスクの低減 下水道を取り巻く課題の一つとして，水系リスクの低減が挙げられる。

膜処理では，微量化学物質や細菌やウイルスについても低減することができる。例えば，

下痢や嘔吐等の集団感染を引き起こす原因となるクリプトスポリジウム※3のオーシストは塩

素に対して強い抵抗性を持つが，表 2-6に示されるように，砂ろ過法と比較しても，膜処理

では高い除去性能を有している。

表 2-6 クリプトスポリジウムのオーシスト除去性能の事例 19)

急速砂ろ過法 2.5 log

緩速砂ろ過法 3 log

膜ろ過法・ 大孔径膜 6 log

精密ろ過膜 >6 log

限外ろ過膜 >7 log

なお，ウイルスよりも孔径の大きい MF 膜であっても，MBR がウイルス除去率向上に有効

との報告事例 15)，二次処理水を対象とした MF 膜処理によるウイルス除去の報告例 45)がある

3 クリプトスポリジウムに対しては，原水の汚染状況，最小感染量，及び感染リスクから，4～5log（99.99～99.999％）

程度の除去性能が必要であると考えられている。膜ろ過法では 6log（99.9999％）以上の除去性能（表 2-6 参照）が得られている。

14

ことから，細菌や原虫の除去だけではなく，リスク低減に寄与できる可能性が示されている。

(5) 処理場の改築 下水道整備の進捗にともない，老朽化した処理施設が増加してきた。日常生活や社会活動

に重大な影響を及ぼす事故の発生や機能停止を未然に防止するため計画的な改築更新の推進，

あわせて高度処理や再生水利用等を目的とした改築も必要となってきている。このような下

水処理場の改築を行う際に，スペース不足や処理能力の不足が課題となる。

既存下水処理場の改築に際して，既存下水処理施設の全部又は一部を MBR に改造すること

により，限られた敷地や既存の土木構造物等の範囲で，処理の高度化や処理能力の増強が可

能となる（第 4 章参照）。

また，膜処理技術は固液分離が確実な物理的な処理方式であり，監視・制御運転の自動化

が行いやすいという利点もある。

2.2.2 下水道への膜処理技術の導入形態

下水道における膜処理技術は，近年，低コスト型膜モジュールの開発や膜の長寿命化が図

られており，現在も，コスト，エネルギー使用量の削減等，様々な観点からの研究や技術開

発が進められており，今後も，健全な水循環の構築等，多方面での適用が可能な技術として，

下水道事業への積極的な展開が期待されている。

下水道への膜処理技術の導入目的に応じた導入形態を，表 2-7に示す。

表 2-7 膜処理技術の導入形態

膜処理技術の 導入目的 導入形態 代表的な例

未普及地域の

早期解消や処

理場の改築に

あわせた処理

の高度化等

従来法において最終沈殿池での

重力沈降により行われている固液

分離操作を，膜処理により行うも

の。

生物反応タンクの活性汚泥を膜により

分離して処理水を得る膜処理 ＜例＞

①新設処理場への MBR 導入 ②既設処理場への MBR 導入

再生水の利用 再生水の利用を目的として従来法や MBR の処理水を対象に，膜処理を行うもの。

下水処理水を対象とした膜処理 ＜例＞

下水処理水 膜処理水

再生水利用

15

2.3 下水道における膜処理の現状

2.3.1 国内の下水道用膜処理施設の導入状況

(1) MBR 導入状況 国内の下水道におけるMBRは，平成17年に兵庫県福崎町において初めて供用開始された。

以降，順次他の処理場においても供用開始され，平成 21 年 3 月時点での供用実績は 10 箇所

である。（表 2-8参照）。

MBR は中・大規模処理場への導入やサテライト処理への適用等，今後，下水道事業への本

格的な展開が期待できる処理方法であり，その普及拡大に向けた課題について巻末に参考資

料として記載した。

表 2-8 下水道における MBR 適用事例

(平成20年12月現在)

自治体名 施設名現有処理能力

(m3/日)供用開始 膜タイプ

福崎町 福崎浄化センター 4,200 H17. 3 平膜

檮原町 檮原浄化センター 720 H17.12 平膜

鹿沼市 古峰原水処理センター 90 H17. 4 平膜

鏡野町 奥津浄化センター 580 H18. 3 中空糸状膜

雲南市 大東浄化センター 1,000 H18.10 平膜

標茶町 塘路終末処理場 125 H19. 5 平膜

浜松市 城西浄化センター 1,375 H20. 3 中空糸状膜

沼津市 戸田浄化センター 2,140 H20. 3 平膜

若狭町 海越浄化センター 230 H20. 4 中空糸状膜

大田市 大田浄化センター 2,150 H21. 3(※1) 平膜

新宮町 中央浄化センター 6,060(※2) H22. 3予定 未定

※1:平成21.3.31供用開始※2:現在建設中の処理能力

(2) 膜処理を利用した再生水利用の導入状況 国内における膜処理を利用した再生水利用の事例を表 2-9に示す。

表 2-9 膜処理を利用した再生水利用の事例 自治体名 施設名 利用目的(膜の種類) 稼働年度 出 典

東京都 落合水再生センター 親水用水(MF 膜，RO 膜) H5 文献 6)

東京都 芝浦水再生センター トイレ用水(MF 膜) H16 文献 1)

大阪市 海老江下水処理場 修景用水(MF 膜，RO 膜) H7 大阪市下水道科学館資料

神戸市 垂水下水処理場 修景，洗車用水(RO 膜) H5 文献 45)

2.3.2 海外の下水道用膜処理施設の導入状況

(1) MBR 導入状況 海外の下水処理施設における MBR は，1997 年にイギリス Porlock 処理場において初めて供

用開始され，近年施設数が増加している。また，大規模施設への導入も進み，数万 m3/日規模

の処理場も増えてきている。（表 2-10及び図 2-7参照）

16

表 2-10 海外の下水処理施設における MBR の導入事例

処理能力（m3/日）

イギリス Porlock 1,900 1997年ドイツ Roedigen 3,240 1998年

イギリス Swanage 12,700 1998年フランス Lle d'Yeu 4,300 1999年イタリア Brescia 42,400 2002年ドイツ Nordkanal 45,000 2004年

オランダ Varsseveld 18,000 2003年アメリカ Tulalip 4,540 2003年アメリカ Traverse City 38,600 2004年オマーン Al-Ansab 78,000 2006年アメリカ Gainesville 38,200 2006年アメリカ Tempe Kyrene 44,300 2006年アメリカ Johns Creek 93,500 2007年

中国 Beixiaohe 80,000 2007年アメリカ Peoria 75,700 2007年カタール Lusail 60,200 2007年

中国 Qinghe 60,000 2007年イタリア Syndial 47,300 2007年アメリカ Delphos 45,400 2007年アメリカ Broad Run 35,600 2007年

中国 Miyun 30,000 2007年

アメリカ Brightwater 144,0002010年予定

国 施設名 供用開始年

※ 文献 10)，21)，22)より作成 ※ 新設・既設改築の区分の傾向としては，新設あるいは既存施設に隣接した敷地への増設が多い

00

2020

4040

6060

8080

100100

9898 9999 0000 0101 0202 0303 0404 0505年年

施設

数施

設数

00

10,00010,000

20,00020,000

30,00030,000

40,00040,000

50,00050,000

処理

能力

処理

能力

[m[m33 /

d]/d]

その他その他

フランスフランス

スペインスペイン

イタリアイタリア

ドイツドイツ

英国英国

最大処理最大処理能力能力

PorlockPorlock （英）（英）1,9001,900 mm33/d/d

RodingenRodingen（（独独））3,2403,240 mm33/d/d

SwanageSwanage（英）（英）12,70012,700 mm33/d/d

BresciaBrescia（（伊伊））42,00042,000 mm33/d/d

NordkanalNordkanal（（独独））45,00045,000 mm33/d/d

00

2020

4040

6060

8080

100100

9898 9999 0000 0101 0202 0303 0404 0505年年

施設

数施

設数

00

10,00010,000

20,00020,000

30,00030,000

40,00040,000

50,00050,000

処理

能力

処理

能力

[m[m33 /

d]/d]

その他その他

フランスフランス

スペインスペイン

イタリアイタリア

ドイツドイツ

英国英国

最大処理最大処理能力能力

PorlockPorlock （英）（英）1,9001,900 mm33/d/d

RodingenRodingen（（独独））3,2403,240 mm33/d/d

SwanageSwanage（英）（英）12,70012,700 mm33/d/d

BresciaBrescia（（伊伊））42,00042,000 mm33/d/d

NordkanalNordkanal（（独独））45,00045,000 mm33/d/d

図 2-7 欧州の下水処理施設における MBR の採用数と処理能力の推移 13)

EU においては，MBR 導入促進のため標準化の検討が進められており，2008 年 11 月には

関係者団体で構成されるワークショップで審議された CEN 合意文書（CWA）が公表された（参

考 2.5 参照）。これは標準化のための基準ではなく拘束力は無いが，標準化へ向けた議論のた

17

たき台となるものである。その有効期間が公表後 3 年となっており，3 年経過の後，廃止，

有効期間の延長，あるいは上位の基準等への移行に向けた検討が行われることとなる。

(2) 膜処理を利用した再生水利用の導入状況 海外における膜処理を利用した再生水利用の事例を表 2-11に示す。

表 2-11 膜処理を利用した再生水利用の事例文献 18)より作成 国名 場所 水量 稼働年 膜の種類

クエート Sulaibiya 320,000 2005 BWRO＃

アメリカ Orange County Water Destrict, CA 264,980 2006 BWRO

シンガポール Ulu Pandan 167,700 2006 BWRO

シンガポール Kranji 40,000 2002 BWRO

シンガポール Juron 35,000 2000 BWRO

アメリカ Gwenett City 34,000 1999 NF

シンガポール Bedok 32,000 2002 BWRO

＃ （低圧 膜）

RO 膜

RO 膜

RO 膜

RO 膜

RO 膜

RO 膜

NF 膜

18

第3章 新設処理場への MBR 導入

MBR の基本的事項を述べるとともに，新規の下水処理場に MBR を導入する場合の検討事

項，経済性等について整理する。

3.1 MBR の特徴

ろ過膜で活性汚泥を分離する MBR については，次の特徴が挙げられる。

・ 汚泥沈降性状の変化による処理機能への影響を受けず，安定した活性汚泥処理が可

能である。

・ 反応タンクの MLSS 濃度を高く保持できるため，BOD/MLSS 負荷の設定によっては

施設をコンパクトにできる。

・ 処理水は清澄であり，そのまま再利用に適用することも可能である。

(1) MBR の概要 MBR は，従来法において，最終沈殿池での重力沈降により行われている固液分離を，膜処

理により行うもので，処理の高度化，安定化が期待できる。膜による固液分離の概念を図 3-1

に示す。

図 3-1 膜による固液分離の概念図（浸漬型 MBR）10)

MBR では，膜モジュールを設置する場所により，便宜的に，浸漬型（一体型），浸漬型（槽

別置型），槽外型の 3 種に分類できる（表 3-1参照）。

浸漬型は，膜モジュールを槽に浸漬し，水位差や吸引ポンプを用いてろ過を行う方式であ

る。槽外型は，膜エレメントをケーシングという収納容器に収めて使用するもので，水位差

またはポンプによりケーシング内部に供給水（原水）を圧入する，もしくはケーシング内部

から膜ろ過水を吸引することで膜ろ過を行う方式である。

一般に処理水の吸引には，ポンプ吸引が多く用いられているが，浸漬型においては水位差

19

を利用して，ポンプ吸引と併用することにより省エネ化を図ることの検討が行われている 42)。

表 3-1 MBR における膜モジュールの設置方式の特徴

浸漬型 （一体型）

・ 最も採用例が多い。 ・ プロセス構成がシンプル。 ・ 反応タンク内の散気装置を，膜モジュールの

洗浄と共有できる。 ・ 膜ユニットの複数設置等で膜モジュールの点

検･補修･交換時に，他系との連携により，反応タンクを休止しない運転が容易にできる。

浸漬型 （槽別置型）

・ 生物処理及び逆洗に必要な散気装置を，それぞれに適した方法をとりやすい（微細散気と粗大気泡の使い分け）。

・ 反応タンク MLSS 濃度を膜分離槽 MLSS 濃度よりも低くして運転できる。

・ 膜モジュールの点検･補修･交換時に，他系との連携により，反応タンクを休止しない運転が容易にできる。

・ 最終沈殿池が利用できない場合は一体型に比べ建設コストが大きくなる。

・ 浸漬洗浄が容易（膜分離槽を薬液洗浄タンクとして使用することが可能）。

槽外型

・ 透過流束が最も大きくできる（膜モジュール数を削減することができる）。

・ 時間変動への対応幅が最も大きい。 ・ 汚泥循環等のコントロールが容易。 ・ 膜ユニットの複数設置等で膜モジュールの点

検･補修･交換時に，他系との連携により，反応タンクを休止しない運転が容易にできる

・ 汚泥循環用のポンプが必要となるため，必要エネルギーが大きくなる。

・ 薬品洗浄が容易。 注：膜モジュールの改善･開発や，運転管理の工夫等により，表中の特徴（長短）は絶対的なものではない。

(2) MBR の主な設備構成 MBR の基本的な処理フローを標準活性汚泥法の場合と比較した例を図 3-2に示す。ここで

は，新規処理場に MBR あるいは標準活性汚泥法を適用する場合の主要な施設構成例を示す。

MBR は，前処理設備（微細目スクリーン等），生物反応タンク，膜モジュールを設け，必

要に応じて流量調整タンクを設ける。標準活性汚泥法等の従来法に比べ，最終沈殿池は必要

なく，消毒設備も緊急時に固形塩素投入等が可能なように措置していれば不要である。また

最初沈殿池の省略あるいは規模の縮小が可能となる場合もあり，基本的にシンプルな施設構

成となる。

送風機

送風機

送風機

20

前処理設備

流量調整タンク

生物反応タンク

汚泥処理

最初沈殿池

沈砂池

生物反応タンク最終沈殿池

消毒沈砂池

放流水

放流水

※省略可能

【MBRの処理フローの例】

※膜モジュールの設置方式は表3-1に示す方法がある。図は，浸漬型(一体型)の場合。

※最初沈殿池を省略した場合

【標準活性汚泥法の一般的な処理フロー】

余剰汚泥返送汚泥生汚泥

汚泥処理

図 3-2 MBR と標準活性汚泥法における施設構成の比較

(3) MBR の特徴

1) 構成上の特徴 MBR の構成上の特徴として，以下に列記する事項が挙げられる。

① 最終沈殿池は必要ない。また，最初沈殿池や常時の消毒設備について，処理条件の

検討を行った上で，省略あるいは規模縮小が可能となる場合がある。

② 生物反応タンク内の MLSS 濃度を高く保持できるため，余剰汚泥は生物反応タンク

から直接引抜いて脱水することが可能であり，この場合，汚泥濃縮設備は省略する

ことができる。

③ 流入水量変動に対応するために，流量調整タンクが必要となる場合がある。

④ 膜処理設備の必要敷地面積は小さく，一般的に標準活性汚泥法の 1/3 程度である。

⑤ ろ過膜保護のため，生物反応タンク流入水は 1mm 目程度の微細目スクリーンによ

る前処理が必要である。

⑥ 監視・制御の自動化が容易である。

2) 処理機能上の特徴 MBR の処理機能上の特徴として，以下に列記する事項が挙げられる。

① 返送汚泥の管理が容易である。

② 重力沈殿による固液分離の制約がないため，生物反応タンク内 MLSS 濃度を高く保

持でき，従来法に比べ短い時間で処理を行うことができる。

③ 処理水中に SS はほとんど検出されず，透視度が高く清澄な処理水が得られる。ま

た，有機物の除去は，従来法に比較して処理水に SS が含まれない分，より良好で

ある。

④ 孔径 0.4μm 以下の MF 膜が通常用いられることから，大腸菌（染色標本で，短径

21

0.4～0.7μm，長径 1.0～3.0μm の大きさ）44)を阻止できる。

⑤ MBR 処理水は，そのままで修景用水としての利用が可能である。また，残留塩素

を保持させることより，散水用水，水洗用水としての利用も可能である。

⑥ 固形物滞留時間（SRT）が長いため，処理過程で硝化反応が起こりやすく，生物反

応タンク中に無酸素ゾーンを組み込むこと等により，生物学的硝化・脱窒反応によ

る窒素除去が期待できる。

⑦ 凝集剤添加により高度なりん除去が可能である。また，従来法に比較して処理水中

に SS が含まれない分，処理水りん濃度が低下する。

⑧ 汚泥転換率は，SRT が 20 日前後の運転では，OD 法について一般的に用いられてい

る数値に比較して 10%程度小さい。また，より SRT の長い運転を行うことにより，

さらに発生汚泥量を減少することができる。

⑨ MBR の余剰汚泥の脱水性は，OD 法の余剰汚泥と同程度である。

22

3.2 施設導入の検討事項

流入水の水質，処理水質，用地等の諸条件に基づき，施設，設備容量等の検討を行い，経

済性，維持管理性，エネルギー効率等，多面的な観点から導入目的に照らして最適な膜及び

その設置方式を選定する。

MBR システムの検討・計画にあたっては，MBR の主要な設備構成や特徴を十分にふまえ

て行うものとする。検討フローを，図 3-3に示す。

図 3-3 MBR システムの検討フロー

3.2.1 検討条件

MBR の計画にあたっては，安定した処理性能を確保するため，①水温，②計画流入水質・

計画処理水質，③計画水量の設定を行う。

(1) 水温 低水温期には水の粘性等によりろ過性が低下し，通常水温 1℃低下により約 2%の透過流束

の低下を招くことが知られている 10)。このため，膜モジュールの必要面積は月間平均値の年

間最低値を基準にして決定する。

水温の高い時期に流入水量の増加が見込まれる場合，膜モジュールの必要面積は当該時期

の水温も勘案する必要がある。

(2) 計画流入水質・計画処理水質 MBR の MLSS 濃度を比較的高いレベルで運転すると，硝化が進行しやすいため，計画流入

水質については硝化反応等の確認に必要な溶解性 BOD，アルカリ度，T-N 等についても設定

しておく必要がある。MBR の処理水質は，一般的な標準活性汚泥法に比べ良好である場合が

多い。

MBR の検討 水量変動対策 （3.2.2） 最初沈殿池 （3.2.3） 反応タンク （3.2.4） 膜モジュール （3.2.5） 消毒設備 （3.2.6） 汚泥処理設備 （3.2.7） 留意事項 （3.2.8）

検討条件の設定（3.2.1） 水温 計画流入水質・計画処理水質 計画水量

導入コストの検討（3.3）

23

図 3-4は，既設の下水処理場に設置された実証プラント 5 種（いずれも窒素除去対応の中

空糸膜 2 種，平膜 2 種，セラミック膜 1 種）における処理水 BOD 及び処理水 T-N の累積度数

分布を示したものである。MBR 処理水の BOD，T-N は，それぞれ 2mg/L 以下，10mg/L 以下

と，標準活性汚泥法の処理水に比べ良好な水質が得られている。

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12

処理水T-N(mg/L)

累積

頻度(%)

A

B

C

D

E

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5

処理水BOD(mg/L)

累積

頻度(%)

A

B

C

DE

図 3-4 実証プラントの処理水 BOD，T-N の累積度数分布 10)

なお，日本下水道事業団（以下「JS」という。）による MBR の施設容量設計における計画

流入水質と計画処理水質の設定例を表 3-2に示す。

表 3-2 流入水質と処理水質の設定例 10）

計画水質例 項目

流入下水 処理水 備考

BOD 200mg/L 3.0mg/L 以下 処理水は C-BOD SS 200mg/L 1.0mg/L 以下

（T-N） 35mg/L 10mg/L 以下 窒素除去を行う場合の参考値 （T-P） 4.0mg/L 0.5mg/L 以下 同時凝集を行う場合の参考値

(3) 計画水量 施設計画を行う場合，原則として計画日最大下水量を用いる。ただし，膜の透過流束には

上限があり，それを超える水量はろ過できないことから，時間変動が大きく膜のろ過能力の

みでの対応が困難と考えられる場合は，別途対策が必要となるため，計画水量の設定には十

分注意する。（3.2.2 参照）

24

3.2.2 水量変動対策

MBR の処理能力を超える水量変動に対応するため，流量変動を適切な範囲に調整する仕

組みを検討する。

MBR は，安定した処理水質が得られるものの，膜のろ過能力を超えた流量には対応できな

いので，膜のろ過能力以上の流入がある場合には，反応タンクの水位が上昇し上流側設備へ

の逆流や反応タンクからの溢水が懸念される。従って，必要に応じて流入水量変動を制御す

るための流量調整タンクを設ける。

JS の小規模施設を対象とした流量調整タンクの容量計算では，日最大水量と日間流入変動パターンを考慮して，調整後の変動比（時間最大／日最大）が 1.0 となることを原則としている 10)。日間流入変動パターンが未知の場合は，類似処理施設のデータより推定を行う。 中･大規模施設の場合は，一般的に，小規模施設に比べて流量変動比が小さいものの，変動

比を 1.0 とするには必要な流量調整タンクの容量が膨大なものとなり，建設コストが増加する。従って，流量調整タンクによる方法以外の水量変動への対応策を，処理場全体の運転管

理方法も含めて検討し，流量調整タンク設置の有無・規模を設定する。また，雨天時増水が

懸念される場合についても，あわせて考慮しておく。 流量調整タンク以外の対応方法としては，反応タンクに余裕高を持たせて水位上昇によっ

て変動を吸収する，あるいは流入ポンプ井の運転レベルを調整することにより対応させるこ

と等が考えられる。 反応タンクの水位で変動を吸収する方法は反応タンクの躯体が大きくなること，また反応

タンク容積が変化することに伴い MLSS 濃度が時間的に変化するため，膜のろ過抵抗に変動が生じることとなり，膜に好ましくない影響を及ぼす可能性があることに留意する。 また，膜の必要面積が大きくなるという欠点はあるが，膜コストのさらなる低下を前提と

すれば時間最大流量に対応可能な面積の膜を設置しておき，流入量の変化に対応して，膜の

吸引ポンプの運転時間や回転数を調整する方式も考えられる。今後，中･大規模施設への導入

検討が進むことで，日間流入変動への対応策についての技術開発も期待される。 なお，MBR と従来法との並列処理の場合は，従来法系列との流量配分によっても対応が可

能となる（詳細は第４章）。

3.2.3 最初沈殿池

最初沈殿池については，3.1 の MBR の特徴に十分配慮し，施設の省略や適切な施設規模

の設定について検討する。

MBR では，反応タンクにおける MLSS 濃度を高くすることができるため，通常は，最初沈

殿池で汚濁負荷を削減することなく，必要な処理機能を発揮できると考えられており，最初

沈殿池は必須ではない。

25

ただし，反応タンクにおける MLSS 濃度を高くしすぎると送気動力の増加や膜の透過性の

低下等によって所定の性能が発揮できない場合がある。このような場合には，最初沈殿池を

設けて反応タンクにかかる負荷を削減することを検討する。

現状では国内における実績がなく実証実験の段階ではあるが，最初沈殿池の設置により想

定される効果を以下に示す。

・ 流量調整効果

・ 微細目スクリーンの固形物負荷軽減

・ 反応タンクの SRT 長期化に伴う硝化の安定化

・ 反応タンクでの必要酸素量の低減

ただし，最初沈殿池を設置した場合，反応タンクの有機物負荷低減による脱窒や生物脱り

んへの影響や総汚泥発生量(生汚泥を含む)の増加等が考えられる。

3.2.4 反応タンク

反応タンクの計画にあたっては，3.1 の MBR の特徴に十分配慮し，①MLSS 濃度，②滞

留時間，③必要空気量の設定を行う。

MBR の処理施設における容量算出フローの例を示す（図 3-5参照）。

図 3-5 容量算出フローの例 10)

26

(1) MLSS 濃度 MBR における反応タンクの MLSS 濃度は，標準活性汚泥法に比べ高く，これまでの実績

では 8,000～15,000mg/L 程度に設定されている。MLSS 濃度を高くするほど，反応タンク容量

は縮小できるが，必要空気量とのバランスを十分考慮する必要がある。

MLSS 濃度をできるだけ高め，反応タンク容量を縮小することは，特に中･大規模施設へ

MBR を適用する場合にコスト縮減効果が大きい。

ただし，維持管理を考慮して，安定して管理できる MLSS 濃度の範囲を十分に確認する必

要がある。例えば，浸漬型（一体型）においては，膜モジュールを設置した区画の MLSS 濃

度が，処理水引抜により他の区画よりも高くなる傾向にあり，反応タンクの平均 MLSS 濃度

と，膜モジュール設置区画の MLSS 濃度が等しくならないこと等に注意する。

また，高 MLSS 濃度では，汚泥の粘性や流動性が変化することから，反応タンク内での流

動（攪拌）性や膜へのファウリング，酸素移動効率の低下についても留意する。

(2) 滞留時間 反応タンクの滞留時間※4については，浸漬型（一体型／槽別置型）の場合，膜モジュール

設置タンクの容量は，反応タンク滞留時間に見込むものとする。

なお，窒素除去を行う場合は，流入水質，水温，流入水量及び MLSS 濃度に応じて，好気

タンク及び無酸素タンクの滞留時間を設定する。

また，MBR では MLSS が高濃度となり，SRT も長期化するため，従来の活性汚泥法（MLSS

濃度として 1,000～3,000mg/L 程度）の場合とは，生物反応特性も異なる。従来の検討方法

（BOD･SS 負荷，硝化に必要な A-SRT，脱窒速度，等）で滞留時間を設定すると，HRT が極

端に短縮化されることから，今後の調査が必要な分野である。なお，国内における実績とし

ては滞留時間 6.0hr が多く，また，EU では 3.0～8.5hr と報告 13)されている。

(3) 必要空気量 必要空気量は，生物処理に必要な酸素量から換算した空気量，及び空気洗浄に必要な空気

量から検討を行う。

浸漬型の場合，反応タンク内に膜モジュールを浸漬し，膜下部からエアレーションを行っ

て気液混合流により膜面を洗浄するため，生物処理に必要な空気と洗浄用の空気を併用する

ことができる。

現状では，生物処理に必要な空気量よりも，空気洗浄に必要な空気量が大きいことが多く，

JS による技術評価 10)では，浸漬型（一体型）の標準設計値としては日最大汚水量の 23 倍と

されている。今後，膜モジュールの技術開発が進み，空気洗浄に必要な空気量の低減が期待

されている。このとき，空気洗浄に必要な空気量の低減により生物処理に必要となる空気量

が不足する場合は，膜モジュールに付帯する散気装置だけではなく，補助散気装置の設置を

検討することが必要となる。

4 滞留時間の検討において，JS 技術評価では膜モジュールそのものの体積も反応タンク容量に含まれたものとし

て取り扱われており，モジュール体積分を加算することはない。ただし，滞留時間を非常に小さく設定する場合，膜モジュール及び付帯設備等が反応タンクの実容量に大きく影響する場合等には，別途検討を行う。

27

空気量低減に関しては，様々な調査研究が行われている。例えば，洗浄用の空気を効率的

に利用するために膜モジュールを水深方向に長く設置する方法のほか，浸漬型（槽別置型）

において好気タンクの MLSS 濃度を小さく設定することで，浸漬型（一体型）に対して必要

空気量が 6～15%程度削減できるという研究報告例 36)や，微細気泡散気装置を活用することで

20%程度削減効果が期待できるという研究報告例 37)，洗浄用空気を間欠運転することで従来

に比べ 1/2～1/3 の低減効果があるという研究報告例 38) 等がある。

3.2.5 膜モジュール

膜モジュールの選定は，MBR の安定した運転及び容易な維持管理を保障する重要な事項

であり，①膜モジュールの形式，②膜モジュールの設置方式，③膜の耐用年数，④膜の洗

浄方式について，十分検討する。

(1) 膜モジュールの形式 MBR において使用される膜は様々な種類があるが，通常，MF 膜（孔径 0.1～0.4μｍ）が

使用される。

現状の膜モジュールの主要な諸元の例を表 3-3に示す。膜の透過流束は，設置面積あたり

の処理能力を示すものではなく，膜の表面積あたりの処理水量である。したがって膜モジュ

ール選定時には，膜透過流束に加えて，必要となる設置面積についても検討・設定を行う。

なお，巻末の「膜処理技術の導入検討にあたっての技術情報」に膜モジュールの諸元の例，

及び国内における MBR 適用事例における配置例を記載している。

表 3-3 各膜モジュールの主要な諸元の例 平膜

(A 社) 中空糸膜

(B 社) セラミック膜

(C社) 管状膜 (D 社)

透過流束（m/日） 0.7 0.6～0.7 ～2.6 1.2～1.44 膜差圧（kPa） ～20 10～50 20～80 10～50

※日本下水道施設業協会へのヒアリングより（2008.9）

MBR で用いられる膜モジュールは，中空糸型，平膜型が多く，設置方式としては浸漬型が

多いが，その他の形式の膜モジュールについても開発が進められていることから，今後の開

発動向をふまえて選定する。

(2) 膜モジュールの設置方式 膜モジュールの設置方式（浸漬型（一体型）／浸漬型（槽別置型）／槽外型）は，必要空

気量，膜モジュールの形式，洗浄の効率性及び管理性，コスト等を比較評価し設定する。

浸漬型（一体型）は，浸漬型（槽別置型）や槽外型に比較して，採用事例が多く，日本の

下水道における実績（H20 年現在）は，全て浸漬型（一体型）である。

浸漬型（槽別置型）や槽外型の場合，膜洗浄や点検作業時に，他系との連携で反応タンク

を休止しない運転が容易であること，反応タンクへの超微細気泡散気装置の導入と膜モジュ

ールの洗浄に特化した散気方式の使い分けによる必要空気量の削減が期待できること等が考

28

えられる。

EU においては，今後の中･大規模施設では槽別置型の採用が増えると考えられている 1)。

現状における調査例 33)によると，調査対象 MBR 処理場 15 箇所（1,600〜45,000m3/日の規模）

のうち，8 箇所で槽別置型が採用されている。

膜モジュールの設置方式の選定にあたっては，現状での技術開発や採用実績とこれらの今

後の動向，運転管理の状況，膜モジュール更新時における膜モジュールの形式や設置方式を

変更する可能性（互換性への配慮）等についても十分に考慮する。

(3) 膜の耐用年数 耐用年数は，膜モジュールの形式・設置方式のみならず，原水性状（夾雑物等）や洗浄の

方法･頻度によっても異なる点に留意する。

ろ過膜は，物理洗浄や薬品洗浄を行うことにより，必要な透過流束を確保しながら運転す

るが（図 3-6），長期間の間には洗浄を行ってもなお閉塞が残り，ろ過性能が低下してくる。

このような状況ではろ過膜の交換が必要となる。膜の交換が必要となるまでの期間は，膜の

種類，原水の種類，運転状況等によっても大きく異なり，正確な予測は困難であるが，例え

ば英国における下水道施設（MBR）での実績（表 3-4）では 7 年間使用時点でも膜交換比率

は約 3%に留まっているとの報告がある。

※（株）クボタ提供資料

図 3-6 イギリス Porlock 処理場における膜透過量の経年変化

表 3-4 膜使用年数と膜交換状況（英国での実績）10)

膜使用年数 膜枚数 交換枚数 交換の比率(％) 1 85,000 162 0.2 2 73,936 227 0.3 3 36,036 514 1.5 4 15,386 29 0.2 5 15,386 16 0.1 6 4,286 20 0.5 7 686 ～15 2.9

過去の浄化槽，産業排水処理施設について施設毎の膜交換比率を調査し，施設数ベースで

集計した報告（図 3-7）によると，7 年経過した 1998 年度納入施設において 50%近くが膜を

Porlock Permeability 27 Aug-30 Nov 2005

0

100

200

300

400

500

238

243

248

253

258

263

268

273

278

283

288

293

298

303

308

313

318

323

328

333

Time in days (2005)

Perm

eabi

lity

litre

s/m

2 .hr.b

ar

In situ chemical clean with 0.5% NaOCl

Temperature corrected to 20 oC Scale:- day 1 is January 1st 2005 薬液洗浄により回復

29

全く交換しておらず，9 年以上経過した 1996 年度以前に納入した施設においても 45%程度が

膜を全く交換していなかった。

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

-1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

総計納

入年

度0%

0～20.0%

20～40%

40～60%

60～80%

80～100%

全交換

図 3-7 膜交換比率（産業排水処理施設と浄化槽）11)

(4) 膜の洗浄方式 膜洗浄方式については，第 2 章で述べたとおり，物理洗浄と薬品洗浄があり，薬品費，設

備費，洗浄の効率性，管理性を十分勘案し，組み合わせによる洗浄方式を検討する。

浸漬型における洗浄では一般的に，強いばっ気を定常的に行う（空気洗浄）ことでケーキ

層の蓄積を抑えるとともに，定期的に薬品洗浄を行う。薬品洗浄には，インライン洗浄と浸

漬洗浄がある。インライン洗浄は，膜ユニットを反応タンクに浸漬したまま，ろ過水側から

薬液を注入して静置し，膜を洗浄する。浸漬洗浄は，運転を停止して膜モジュールをタンク

外に吊り上げ，水洗浄した後，薬液洗浄タンクに浸漬させて洗浄するのが一般的である。薬

品洗浄の頻度は，都市下水処理の場合，年数回程度である。なお，低濃度の薬液を用いて週

１回程度，定期的に洗浄（メンテナンス洗浄）を行う方式もある。

槽外型では膜はケーシングに収納されているため，ポンプを用いてケーシングと膜の間に

循環流を形成することにより，膜面を洗浄しながらろ過を行う方式が取られる。また，膜面

洗浄効果を高めるため，循環流に空気を混入する方法が採用される場合もある。

薬液浸漬洗浄は，膜モジュールを取り出し，薬液を満たした洗浄タンク内に浸漬し一定期

間静置することより行うため，この期間は MBR の処理能力が低下あるいは当該系列の休止と

なる。今後の MBR 施設の中･大規模化にあたって特に注意すべき事項として，膜モジュール

を一定期間使用できない場合の対応についての配慮が必要である。

図 3-8に膜洗浄による膜差圧回復のイメージを示す。

※図中の「薬液注入洗浄」はインライン方式の薬品洗浄を指す。

図 3-8 膜洗浄による膜差圧回復のイメージ 32)

30

3.2.6 消毒設備

消毒設備は MBR の設備機能不全時における緊急対策設備として計画する。

MBR では，膜ろ過により大腸菌が除去される。JS 技術評価 10)では，MBR 処理水について

常時の消毒設備は必要ないとしている。ただし膜破損等緊急時の対応として，塩素投入等の

措置が可能なよう配慮することとされている。

3.2.7 汚泥処理設備

汚泥処理設備の計画にあたっては，3.1 の MBR の特徴に十分配慮し，汚泥処理方式の設

定，物質収支計算を行う。

(1) 汚泥処理方式 MBR は最終沈殿池を必要としないことから，余剰汚泥は，膜モジュール設置場所（反応タ

ンク末端，膜モジュール設置槽，ケーシング）から，直接引抜くことになる。

MBR では，MLSS が高濃度（概ね 10,000mg/L）であり，引抜いた余剰汚泥は直接脱水処理

が可能である。ただし，濃縮工程を省略し，余剰汚泥（汚泥濃度約 10,000mg/L）を直接脱水

する場合と，濃縮工程を経た濃縮汚泥（汚泥濃度 30,000mg/L～50,000mg/L 程度）を脱水する

場合とで，脱水機の設置台数が大きく異なることから，経済性（イニシャルコスト，ランニ

ングコスト）や管理性を十分に勘案し，濃縮工程の有無による長短をふまえた比較検討を行

ったうえで，汚泥処理方式を設定する。

(2) 物質収支 汚泥処理系を含めた施設設計にあたっては，原則として汚泥の物質収支計算を行うものと

する。

MBR における流入 SS に対する余剰汚泥発生量は，凝集剤を添加しない場合で標準活性汚

泥法や循環法の 6～7 割程度との報告 10)もあり，MBR 導入により汚泥量削減に寄与できる可

能性がある。なお，りん除去のため凝集剤を添加する場合は，添加に伴う汚泥発生量の増加

分を見込む必要がある。

3.2.8 その他の留意事項

MBR の計画検討においては，①微細目スクリーン，②水位計画，③施設配置についても

留意する。

(1) 微細目スクリーンの設置 膜モジュールの保護を図るために，反応タンク流入以前に微細目スクリーンを設置する。

流量調整タンクを設ける場合には流量調整タンク前段が一般的である。

微細目スクリーンには，バースクリーン，ドラムスクリーン，メッシュスクリーン等があ

31

り，国内の小規模施設の実績は目幅 1mm 程度のものが使用されているが，当該下水処理場の

流入水の性状をふまえて適切な形式※5を選定する必要がある。

MBR 運転における重大なトラブルは膜の破損や閉塞である。英国における膜交換の原因分

析からは，異物の反応タンクへの流入による膜の破損や，不適切なスクリーン設置による異

物流入による膜の破損が多いと見られる 10)。このことから，夾雑物等による膜の破損や目詰

まりを防止するためには，微細目スクリーンの適切な設置及び管理が重要である。

(2) 水位計画 処理施設の水位計画は，放流先の外水位，処理場流入下水管水位及び処理場計画地盤高さ

を基準に，円滑な水の流れになるよう検討を行う。

比較的小規模な MBR 施設で，下水を流量調整タンクから反応タンクへポンプ圧送し，処理

水も膜モジュールからポンプ吸引する場合等では，各タンクの水位は比較的自由に設定でき

る。ただ�